CN1327165A - 准相位匹配非线性光学单块晶体及其激光产生装置 - Google Patents
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Abstract
本发明单块晶体的光栅设计包括单一光栅区,具有沿第一方向的非线性光学特性及至少一多重光栅区,由复数个沿第二方向平行排列的内光栅组成,每一内光栅具有特殊的非线性光学特性且非线性光学特性是沿第一方向。其中,第一方向为激光进行方向,第一方向与第二方向垂直。本发明晶体可以进行并联激光与串联激光产生。不同温度下,可人为选择单一光栅及多重光栅的一内光栅来满足在温度下的准相位匹配条件,故可在不同的温度下输出不同波长的激光。
Description
本发明涉及一种非线性光学单块晶体的光栅设计，特是涉及准相位匹配(Quasi-phase Matching；QPM)非线性光学单块晶体(monolithiccrystal)的光栅设计及利用该晶体产生频率转换(frequency conversion)的激光产生装置。
现有传统上大部分激光光是利用量子能量躍迁造成固定波长或频率的电磁辐射。然而，许多应用都需要可调波长的激光光源。例如，在环境微量气体侦测上，因为不同气体会有不同的吸收波长，可调波长的激光加上光谱侦测系统可以达成多种微量气体分析。又例如，在平面显示器方面，每一像点为一可固定发出红、绿、蓝三色波长的激光光源。虽然部分激光光源，如染料激光(dye laser)、自由电子激光(free-electron laser)与一些非线性晶体激光波长，均可在一定程度下调变其发出激光的波长，但是其调变幅度仍不够大，且价格昂贵、效率低、操作不便。
在最近几年，随着非线性光学的发展，可调波长激光亦有很大的进步。非线性光学效应是借由二入射激光信号(在某些情形下，该二入射信号可借由同一激光信号而得)因同轴地通过一非线性光学晶体而产生交互作用，发出一预期中的特殊波长激光。其中，二阶非线性光效应(second-order nonlinear optical effect)包括二次谐振(Second HarmonicGeneration；SHG)，差频(Difference Frequency Generation；DFG)，和频(Sum Frequency Generation；SFG)，光参数产生、放大、振荡(OpticalParametric Generation，Amplification，Oscillation；OPG，OPA，OPO)。在二阶非线性转换的过程中，如果所发出的激光信号和其它二入射激光信号在晶体中达到相位匹配(phase-matching)时，所发出激光的强度会因通过晶体的长度而增强。如果该三信号相位不匹配，所发出激光的强度则无法持续增强。在非线性光学晶体中，可使所欲发出的激光信号强度增强的距离称为一同调长度(coherence length)。因此，在相位不匹配的情形下，发出激光的强度仅能经由单一同调长度而累积，通常在这种情形下该同调长度只有微米(μm)的大小。要使三信号达到相位匹配的情形，需巧妙设计晶体的非线性光学特性，以使所欲产生的激光强度在非线性晶体中持续增长。由于温度也可以改变晶体的折射率，从而改变相位匹配的条件，因此改变非线性晶体温度是调整射出激光波长的方法之一。
准相位匹配非线性激光是最近为改良可调波长激光的效率而发展出来的。参见Fejer at el.发表的“Quasi-phase-matched Second HarmonicGeneration：Tuning and Tolerances，”IEEE Journal of QuantumElectronics，vol.28，1992pp.2631-2654，以及美国专利第5,036,220号、第5,800,767号、第5,714,198号、第5,838,702号等。在先技术的架构中，晶体的非线性光学参数以同调长度为单位作周期性的变号，用以达到相位匹配的目的(称之为准相位匹配)。并有效产生另一频率的激光。因此人们可利用准相位匹配技术选择非线性晶体中的最大非线性光学参数来达到最大雷射转换效率。周期性变化通常是利用周期性改变铁电物(ferroelectric material)的自发极化(spontaneous polarization)方向而完成。除了泵激光的波长与操作温度，交替极化区域的间隔周期决定发出激光的波长。当泵激光波长及铁电物的光栅周期都固定时，可利用改变温度来小幅调整发出激光的波长。许多铁电物(ferroelectricmaterial)可以形成相当良好的准相位匹配非线性光学晶体，例如LiNbO3、LiTaO3、LiIO3、KNbO3、KTiOPO4(KTP)、RbTiOAsO4(RTA)、RbTiOPO4等等。
图1所示为一种现有的非线性光学晶体101，该晶体仅具有单一光栅，所以只能产生一种非线性光学响应。例如Myers等人发表的″Quasi-phase-matching 1.064μm-pumped optical parametric oscillator inbulk periodically poled LiNbO3，″OPTICS LETTERS Vol.20，No.1，Jan.1995，pp.52-54。另一种现有的非线性光学晶体是由不同光栅周期的二部分单晶组成，所以能产生两种非线性光学响应。例如Rosenberg发表的“2.5-W continuous-wave，629-nm solid-state laser source”，OpticsLetters，Vol.23 No.1，February1，1998，pp.207-209，以及美国专利第5,768,302号。然而，单晶组成的二光栅在进行非线性光学响应时由于是处于一温度，当温度稍有变化，就可能造成其中一光栅的相位不匹配。该困难造成激光波长的可调幅度有限，无法满足实际需要。
本发明鉴于现有技术存在的缺陷，乃经悉心试验与研究，并一本锲而不舍的精神，终于创作出本发明准相位匹配非线性光学单块晶体及其激光产生装置，揭露一种新穎的激光产生架构，允许连续非线性频率转换与大幅度的波长调整。
本发明的主要目的在于提供一种准相位匹配非线性光学单块晶体及其激光产生装置，使其晶体可以进行并联与串联激光频率转换。
本发明的次一目的在于提供一种准相位匹配非线性光学单块晶体及其激光产生装置，该晶体可以在两种或多种不同温度下进行激光频率转换。
本发明的又一目的在于提供一种准相位匹配非线性光学单块晶体及其激光产生装置，使用上述准相位匹配单块晶体的固态激光产生装置。
本发明的目的是由以下技术方案实现的。
一种准相位匹配非线性光学单块晶体，其晶体本体包括：
一准相位匹配单一光栅区，沿一第一方向具有一第一光栅周期；
一准相位匹配多重光栅区，是由复数个沿一第二方向平行排列的内光栅组成，其特征在于所述第二方向是垂直该第一方向且每一内光栅沿该第一方向均具有一特殊的光栅周期；
该晶体本体的第一光栅区可为该单一光栅区或该多重光栅区。
本发明的目的还可由以下技术方案实现。
一种固态激光产生装置，其特征在于其包括：
一种准相位匹配非线性光学单块晶体，其晶体本体具有一准相位匹配单一光栅区，沿一第一方向具有一第一光栅周期，以及一准相位匹配多重光栅区，是由复数个沿垂直该第一方向的一第二方向平行排列的内光栅组成，其中，每一内光栅沿该第一方向均具有一特殊的光栅周期；以及
一激光光源，用以提供具有一第一波长的第一激光信号沿该第一方向射入该准相位匹配非线性光学单块晶体；
其中，该晶体本体的第一光栅区可为该单一光栅区或该多重光栅区；
其中，当该第一激光信号射入该准相位匹配非线性光学单块晶体后，晶体内部因应各个光栅特性会产生二或多个非线性光学频率或波长转换效应，最后射出具有一或多个不同于第一波长的第二激光信号。
本发明的目的还可由以下技术措施进一步实现，
前述的准相位匹配非线性光学单块晶体，其中所述单块晶体为可电性极化晶体，亦即为铁电物质。
前述的准相位匹配非线性光学单块晶体，其中所述铁电物，是自LiNbO3、LiTaO3、LiIO3、KNbO3、KTiOPO4(KTP)、RbTiOAsO4(RTA)、与RbTiOPO4等晶体择出其一。
前述的固态激光产生装置，其中还包括一温控炉，用以控制该准相位匹配非线性光学单块晶体的温度，并调制该光栅的相位匹配特性，以达到能调整输出激光波长及最大输出功率。
前述的固态激光产生装置，其中更包括一共振腔，用以增加该第二激光信号的强度。
前述的固态激光产生装置，其中所述共振腔是由位于该晶体两侧的一第一反射镜与一第二反射镜组成。
前述的固态激光产生装置，其中所述共振腔是由镀于该晶体两端面的二光学反射薄膜组成。
前述的固态激光产生装置，其中所述非线性光学频率或波长转换效应包括二次及三次谐振(Second and Third Harmonic Generation；SHGand THG)，差频(Difference Frequency Generation；DFG)，和频(SumFrequency Generation；SFG)，光参数产生、放大、振荡(Optical ParametricGeneration，Amplification，Oscillation；OPG，OPA，OPO)。
前述的固态激光产生装置，其中所述激光光源为被动式Q-转换激光(passively Q-switched laser)
本发明与现有技术相比具有明显的优点及其效果。
一种准相位匹配非线性光学单块晶体及其激光产生装置，其晶体可以进行并联与串联激光频率转换。该晶体可以在两种或多种不同温度下进行激光频率转换。当泵激光波长及铁电物的光栅周期都固定时，可利用改变温度来小幅调整发出激光的波长。
本发明的具体结构由以下实施例及其附图详细给出。
图1为现有技术的准相位匹配非线性光学晶体及利用其产生频率转换的激光装置的示意图；
图2为本发明准相位匹配非线性光学单块晶体的第一较佳实施例；
图3为本发明准相位匹配非线性光学单块晶体的其他较佳实施例；
图4为本发明固态激光产生装置的第一较佳实施例，该激光装置未使用共振透镜组；
图5为本发明固态激光产生装置的第二较佳实施例，该晶体两侧具有二共振透镜；
图6为本发明固态激光产生装置的第三较佳实施例，该晶体两端面镀有二共振薄膜；
图7为本发明固态激光产生装置的第四较佳实施例，该激光装置还包括一小讯号待放大激光。
以下结合附图及较佳实施例对依据本发明提出的准相位匹配非线性光学单块晶体及其激光产生装置，其具体结构、特征及其功效，详细说明如后。
请参阅图2所示，为本发明的准相位匹配非线性光学晶体201。该准相位光学晶体201较佳者为单晶周期极化的铁电物，例如LiNbO3、LiTaO3、LiIO3、KNbO3、KTiOPO4(KTP)、RbTiOAsO4(RTA)、RbTiOPO4。晶体201中的光栅设计包括两部分一单一光栅区2011与多重光栅区2012。单一光栅区2011具有沿第一方向的一非线性光学特性，该第一方向即为光栅周期方向与激光进行方向。多重光栅区2012是由复数个沿第二方向平行排列的内光栅20121，20122，20123组成，每一内光栅均具有一非线性光学特性且该非线性光学特性是沿该第一方向。其中，该第一方向与第二方向互相垂直且每一内光栅的非线性光学特性均不相同。
请参阅图2所示，多重光栅区2012中的内光栅20121，20122，20123是平行排列，其排列方向垂直于激光进行方向。在相邻二内光栅之间通常(非必要)更具有一固定间隔2013用以分隔二相邻的内光栅。此外，本发明晶体201中单一光栅区和多重光栅区的排列顺序并非固定，泵激光光源可先射入单一光栅区再射入多重光栅区，亦可先射入多重光栅区再射入单一光栅区。当泵激光光源射入第一光栅区后，泵激光的频率会先作第一次转换，当继续射入第二光栅区后，泵激光的频率又作第二次转换，如图3(A)所示。图3(B)为本发明非线性光学晶体的又一较佳实施例，该晶体中的光栅设计可视为包括两个图2或图3(A)的晶体。必须注意的是，本发明晶体中的光栅设计可以具有其他的修饰与变化，不限于以上揭露的较佳实施例。
本发明晶体之所以优于现有晶体，是因其具有以下两种激光产生机构。第一种机构，本发明中称为并联激光产生。并联激光产生时，泵激光光源的大小完全涵盖所有单一与多重光栅区。在这种情形下，单一光栅区先以非线性光学响应产生一激光(例如SHG)或二激光(例如OPG)之后，单一光栅所产生的部分或所有激光，在每一内光栅中再被转变为其他频率。因此，多重光栅的所有内光栅将产生各种频率的激光，使本发明晶体可以一次发出频率非常宽广的激光。
第二种机构，本发明中称为串联激光产生，可以克服现有串联单块晶体(如美国专利第5,767,302号)对温度调变困难的缺陷。在现有技术中，晶体是由两个单一光栅串联所组成，当温度偏离原先设定值后，两光栅便无法同时达到相位匹配状态，这使得波长调变的范围受限。在本发明的第二种机构时，泵激光光源的大小需小于每一内光栅的宽度，使得泵激光光源仅射入单一光栅与该多重光栅的某一内光栅。举例来说，当温度为T1时，泵激光光源先射入单一光栅区2011再射入多重光栅区2012的内光栅20121，随后输出一预设波长的激光光。当温度为T2时，泵激光光源将改变其入射位置，使泵激光先射入单一光栅区2011再射入多重光栅区2012的内光栅20122，以保证两光栅可达到相位匹配，随后输出另一波长的激光光。同理，当温度为T3时，借由适当地组合单一光栅区与内光栅，一种第三波长的激光光亦将产生。激光光源入射位置的对位(alignment)，可以借由机械地滑动该非线性光学单块晶体，或使用光学镜片将激光射入正确的光径中。
图4为本发明固态激光系统的第一较佳实施例。泵激光光源301是用以发出一具有第一波长的输入激光信号进入晶体201。光学透镜601或光学透镜系统是用以将输入激光信号聚焦并导引其射入正确位置。随后，本发明的晶体201将进行上述并联或串联激光频率转换，且将射出一预设波长的激光。晶体201较佳者是设置于一温控炉40中，该温控炉40是用以改变晶体的准相位特性，以利用温度变化来调整输出激光的波长。在串联激光产生机构中，本发明还可包括一精密推动装置(precision pusher)，用以精确地移动泵激光，使之射入正确的光径中。
图5为本发明固态激光产生装置的第二较佳实施例。该实施例为图4单一光径机构的延伸。在晶体201的两侧具有由二透镜501，502组成的一共振腔，用以循环一个或多个激光信号以减少泵激光启始值并增强整体激光转换效率。
图6为本发明固态激光产生装置的第三较佳实施例。为了减少激光系统的大小，图5中的透镜501，502被镀于晶体两端面的二光学薄膜503，504取代。该光学薄膜的光谱反射率与曲率半径可以随系统需求而改变。
图7为本发明固态激光产生装置的第四较佳实施例。其中，晶体201作为放大器，当使用泵激光光源302进行并联或串联频率转换时，将一小讯号待放大激光303(seed laser)放大。经由一激光讯号结合镜(dichroic mirror)604，使小讯号待放大激光303与泵激光302所发出的激光在射入晶体201前结合。光学透镜或光学透镜系统602，603分用以聚焦泵激光302与小讯号待放大激光303。图7中泵激光302与小讯号待放大激光303的位置可以互换。实验结果
本实验将以图2的晶体加上图4的激光系统为例，该种状况必须使用较其他状况更高的泵启始能量，故此实验结果，将极具有代表性并能直接证明其他状况的可行性。也就是说，由于该状况的多重激光频率转换必须一次完成并且不使用任何小讯号待放大激光或共振腔，因此将需要最高的泵激光强度。
实验中的准相位匹配单块晶体为经过电场周期极化过的厚度为500μm的z-cut锂化铌晶圆(z-cut congruent lithium niobate wafer)。其中，单一光栅区的长度为1cm光栅周期为20.4μm，其适合在40.6℃利用三阶二次谐振(third-order SHG)将1064nm泵激光转换为532nm激光；其中，多重光栅的长度为4cm具有五个内光栅，每一内光栅的周期分e为11μm，11.25μm，11.50μm，11.75μm与12μm。在40.6℃时当532nm波长的激光射入多重光栅时(并联激光产生)，不同的内光栅将以不同的光学参数产生过程输出不同波长组合的激光。内光栅中产生的激光光的波长组合依序分θ为[621.2nm，3704.7nm]、[615.3nm，3828.8nm]、[609.4m，4186.8nm]、[603.3nm，4501.2nm]、[596.2nm，5941.0nm]。
实验中的泵激光光源较佳者为一被动式Q-转换Nd：YAG激光(passively Q-switched Nd：YAG laser)，其单发能量为8μJ/pulse、反覆频率为8.3kHz、发出波长为1064nm、泵脉波宽度为600psec。由于泵激光的最高能量可以超过13千瓦(kilowatt)，所以泵能量在单一光栅区可以几乎100％的经由二次谐振转换为532nm激光。该532nm的绿光激光会继续通过多重光栅区，并在不同内光栅中经由不同的光学参数过程产生不同波长的激光光。由于非线性转换效应，产生激光的脉冲宽度约为150psec。对不同波长的激光输出，激光转换效率也有差异。例如，对多重光栅中的12μm内光栅，其输出波长组合中的4941nm波长的光子是位于锂化铌的吸收光谱中，因此，在这种光栅周期时，泵启始能量必须较高但转换效率会较低。又，对多重光栅中的11μm内光栅，在单一光径、OPG的架构下，其从1064nm激光转换为621.2nm激光的转换效率有5％。如之前声明，对于使用其他架构的状况(图3至图7)，其转换效率会大大高于本实验状况所获得的值。
当晶体作为串联激光产生的实验结果则如下所述。准相位匹配单块晶体仍为厚度500μm的锂化铌单晶晶片。其中，单一光栅区的长度为3cm光栅周期为30μm；多重光栅的长度为2cm具有两个周期分为19μm与19.25μm的内光栅。当被动式Q-转换激光射出1064nm波长的泵激光，在准相位温度60C下，单一光栅区将产生一1555nm波长的激光，其转换效率为25％。在相同温度下，若泵激光输入位置是对应至19μm的内光栅，则19μm的内光栅会进一步将1555nm波长信号作倍频，使777.5nm波长信号输出。当温度升高为100.2℃，单一光栅区将产生1570nm波长的激光，在相同温度下，若激光输入位置是对应至19.25μm的内光栅，则19.25μm的内光栅会进一步将1570nm波长信号作倍频，使785nm波长信号输出。对于8μJ/pulse的泵激光，串联激光产生的平均光子转换效率约为10％。本实验结果证明本发明对输出波长可调激光的实用性。
Claims (10)
1.一种准相位匹配非线性光学单块晶体，其晶体本体包括：
一准相位匹配单一光栅区，沿一第一方向具有一第一光栅周期；
一准相位匹配多重光栅区，是由复数个沿一第二方向平行排列的内光栅组成，其特征在于所述第二方向是垂直该第一方向且每一内光栅沿该第一方向均具有一特殊的光栅周期；
该晶体本体的第一光栅区可为该单一光栅区或该多重光栅区。
2.根据权利要求1所述的准相位匹配非线性光学单块晶体，其特征在于所述单块晶体为可电性极化晶体，亦即为铁电物质。
3.根据权利要求2所述的准相位匹配非线性光学单块晶体，其特征在于所述铁电物，是自LiNbO3、LiTaO3、LiIO3、KNbO3、KTiOPO4(KTP)、RbTiOAsO4(RTA)、与RbTiOPO4等晶体择出其一。
4.一种固态激光产生装置，其特征在于其包括：
一种准相位匹配非线性光学单块晶体，其晶体本体具有一准相位匹配单一光栅区，沿一第一方向具有一第一光栅周期，以及一准相位匹配多重光栅区，是由复数个沿垂直该第一方向的一第二方向平行排列的内光栅组成，其中，每一内光栅沿该第一方向均具有一特殊的光栅周期；以及
一激光光源，用以提供具有一第一波长的第一激光信号沿该第一方向射入该准相位匹配非线性光学单块晶体；
其中，该晶体本体的第一光栅区可为该单一光栅区或该多重光栅区；
其中，当该第一激光信号射入该准相位匹配非线性光学单块晶体后，晶体内部因应各个光栅特性会产生二或多个非线性光学频率或波长转换效应，最后射出具有一或多个不同于第一波长的第二激光信号。
5.根据权利要求4所述的固态激光产生装置，其特征在于还包括一温控炉，用以控制该准相位匹配非线性光学单块晶体的温度，并调制该光栅的相位匹配特性，以达到能调整输出激光波长及最大输出功率。
6.根据权利要求4所述的固态激光产生装置，其特征在于更包括一共振腔，用以增加该第二激光信号的强度。
7.根据权利要求6所述的固态激光产生装置，其特征在于所述共振腔是由位于该晶体两侧的一第一反射镜与一第二反射镜组成。
8.根据权利要求6所述的固态激光产生装置，其特征在于所述共振腔是由镀于该晶体两端面的二光学反射薄膜组成。
9.根据权利要求4所述的固态激光产生装置，其特征在于所述非线性光学频率或波长转换效应包括二次及三次谐振，差频和频，光参数产生、放大、振荡。
10.根据权利要求4所述的固态激光产生装置，其特征在于所述激光光源为被动式Q-转换激光。
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| CN 00109364 CN1327165A (zh) | 2000-06-01 | 2000-06-01 | 准相位匹配非线性光学单块晶体及其激光产生装置 |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102394467A (zh) * | 2007-07-31 | 2012-03-28 | C2C晶芯科技公司 | 宽波带光源装置 |
| CN104076574A (zh) * | 2013-03-29 | 2014-10-01 | 中国科学院理化技术研究所 | 一种光学图像增强装置及方法 |
-
2000
- 2000-06-01 CN CN 00109364 patent/CN1327165A/zh active Pending
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| CN102394467B (zh) * | 2007-07-31 | 2013-11-06 | 南京长青激光科技有限责任公司 | 宽波带光源装置 |
| CN104076574A (zh) * | 2013-03-29 | 2014-10-01 | 中国科学院理化技术研究所 | 一种光学图像增强装置及方法 |
| CN104076574B (zh) * | 2013-03-29 | 2017-02-08 | 中国科学院理化技术研究所 | 一种光学图像增强装置及方法 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| AD01 | Patent right deemed abandoned | ||
| C20 | Patent right or utility model deemed to be abandoned or is abandoned |